智能電網(wǎng)教育的模塊化及體系構(gòu)建探討

游義剛 張志剛

摘? 要 隨著智能電網(wǎng)技術(shù)和電力市場(chǎng)的深入發(fā)展，電力產(chǎn)業(yè)在發(fā)電、輸電、配電和用戶(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)生革命性的變化。智能電網(wǎng)是未來(lái)電力系統(tǒng)的載體，對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)有更高層面的要求，如何制定適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的教育模式是專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。分別從技術(shù)層面和功能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)實(shí)行模塊化教學(xué)的可行性進(jìn)行探討，提出智能電網(wǎng)教育體系構(gòu)建的初步設(shè)想。

關(guān)鍵詞 智能電網(wǎng);人才培養(yǎng);模塊化教學(xué);教育體系;智能電網(wǎng)信息工程

Abstract With the development of smart grid technology and power market， the power industry has undergone revolutionary changes in power generation， transmission， distribution and users. Smart grid is the carrier of power system in the future. It has higher requirements for the professional personaltraining. How to formulate an educa-tion model adapted to Chinese national conditions is the key to the training of professional and technical person. This paper will discuss the feasibility of modular teaching of smart grid from the technical level and functional realization， and finally put forward the prelimi-nary idea of building smart grid education system.

Key words smart grid; personnel training; modular teaching; educa-tion system; smart grid information engineering

1 引言

近年來(lái)，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)和電力市場(chǎng)的深入發(fā)展，電力產(chǎn)業(yè)在發(fā)電、輸電、配電和用戶(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)生革命性的變化。越來(lái)越多的新技術(shù)和新設(shè)備，如電力電子新裝置、有源配電網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字式保護(hù)的協(xié)調(diào)和監(jiān)控等，以及可再生新能源的微電網(wǎng)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建模與控制提出挑戰(zhàn)。

智能電網(wǎng)對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)有更高層面的要求，除了智能電網(wǎng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，還需要學(xué)習(xí)設(shè)備制造、資產(chǎn)優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理、政策和協(xié)議開(kāi)發(fā)等知識(shí)[1]。此外，智能電網(wǎng)也需要在通信控制、信息安全、決策支持、計(jì)算機(jī)智能技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)展學(xué)習(xí)和研究[2]。

與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相對(duì)而言，智能電網(wǎng)從概念之初就帶著橫跨多個(gè)學(xué)科、綜合多項(xiàng)技術(shù)的顯著特點(diǎn)，這決定了其對(duì)應(yīng)的知識(shí)體系是以電力工程為基礎(chǔ)，交叉融合了信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)工程、控制科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其核心技術(shù)將涉及電網(wǎng)狀態(tài)信息感測(cè)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、決策控制理論、交互式信息處理與通信、新能源微網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域。因此，針對(duì)電網(wǎng)新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，急需構(gòu)建足以支撐其理論體系的智能電網(wǎng)教育模式。

近十年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行課程設(shè)置和建設(shè)且卓有成效。例如，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)開(kāi)設(shè)了“新型智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全”，佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)開(kāi)設(shè)了“智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全”，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)開(kāi)設(shè)了“智能電網(wǎng)通信與SCADA系統(tǒng)”等[3]，這些課程均緊跟智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其技術(shù)應(yīng)用或深入研究都起到保證作用。

在我國(guó)，從2010年開(kāi)始，教育部就將“智能電網(wǎng)信息工程”列入本科院校特設(shè)專(zhuān)業(yè)目錄，歸屬于電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)。華北電力大學(xué)（北京）、南京理工大學(xué)、電力科技大學(xué)等20多所高校已開(kāi)設(shè)該專(zhuān)業(yè)[4]，其他高校則在原有的電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)中增設(shè)智能電網(wǎng)專(zhuān)業(yè)課程。

智能電網(wǎng)的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的、長(zhǎng)期的過(guò)程，如何建立與其適配的人才培養(yǎng)體制是值得每個(gè)教育工作者深思的問(wèn)題。除了上述提及的將現(xiàn)有高校資源作為智能電網(wǎng)技術(shù)教育的主要平臺(tái)以外，還應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)人員、管理人員等加強(qiáng)新技術(shù)的再教育和培訓(xùn)。通過(guò)積極調(diào)動(dòng)社會(huì)各界的力量，采取多種方式加強(qiáng)人才培養(yǎng)工作[5]，從而促進(jìn)智能電網(wǎng)教育的發(fā)展步伐與我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)速度相適應(yīng)。

智能電網(wǎng)是未來(lái)電力系統(tǒng)的載體，制定適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的教育模式是專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。本文將分別從技術(shù)層面和功能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)實(shí)行模塊化教學(xué)的可行性進(jìn)行探討，最后提出智能電網(wǎng)教育體系構(gòu)建的初步設(shè)想。

2 技術(shù)層面的模塊化

除了包含電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，智能電網(wǎng)還涉及通信、控制、決策、計(jì)算機(jī)等學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)可劃分為五個(gè)技術(shù)模塊：電力設(shè)備技術(shù)模塊、傳感計(jì)量與量測(cè)模塊、通信技術(shù)模塊、信息管理技術(shù)模塊、決策與控制理論模塊。

智能電網(wǎng)的構(gòu)建將依賴(lài)多項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展、推廣和應(yīng)用[6]。五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)模塊之間并沒(méi)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，可以分別嵌入相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)課程中學(xué)習(xí)，建議各模塊可圍繞主要知識(shí)點(diǎn)確定難度和范疇。

電力設(shè)備技術(shù)模塊? 堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，而構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)需立足于廣泛應(yīng)用先進(jìn)的電氣設(shè)備和技術(shù)支持。在該模塊中，可主要針對(duì)電力電子技術(shù)、可再生能源技術(shù)、高效儲(chǔ)能技術(shù)、輸配電技術(shù)展開(kāi)學(xué)習(xí)。

傳感、計(jì)量與量測(cè)技術(shù)模塊? 該模塊與通信模塊共同構(gòu)成SCADA系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)通信的底層平臺(tái)。正確理解電源、電網(wǎng)和用戶(hù)三者的技術(shù)特點(diǎn)和不同要求，是學(xué)習(xí)和掌握好該技術(shù)模塊的關(guān)鍵。

通信技術(shù)模塊? 建立實(shí)時(shí)、高速的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。通信技術(shù)是現(xiàn)代工科專(zhuān)業(yè)必須掌握的基本理論之一，對(duì)該模塊的學(xué)習(xí)應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，如強(qiáng)磁干擾、電磁兼容等特點(diǎn)，理解智能電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)開(kāi)放數(shù)據(jù)通信架構(gòu)和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的途徑。

信息管理技術(shù)模塊? 作為一種成熟的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，信息管理系統(tǒng)提供了一個(gè)人機(jī)互動(dòng)的智能電網(wǎng)可視化平臺(tái)。該模塊主要內(nèi)容包括信息采集與處理、信息分析、信息集成、信息顯示以及信息安全。

決策與控制理論模塊? 決策理論和自動(dòng)控制技術(shù)是智能電網(wǎng)“聰明”程度的體現(xiàn)。一方面需要懂得如何實(shí)現(xiàn)潮流分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、安全穩(wěn)定計(jì)算等傳統(tǒng)電力技術(shù)實(shí)時(shí)性的提升;另一方面可將智能電網(wǎng)作為復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真、建模，通過(guò)對(duì)最新人工智能技術(shù)的合理利用，掌握對(duì)其展開(kāi)電力規(guī)劃和開(kāi)發(fā)的技術(shù)手段。

3 功能實(shí)現(xiàn)的模塊化

根據(jù)電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電四個(gè)環(huán)節(jié)，可將智能電網(wǎng)劃分為六個(gè)功能模塊：智能電網(wǎng)控制中心模塊、智能分布式電源系統(tǒng)模塊、智能變電站模塊、智能線(xiàn)路模塊、智能保護(hù)系統(tǒng)模塊、智能需求側(cè)管理系統(tǒng)模塊。各模塊的關(guān)系組成如圖1所示。

我國(guó)的智能電網(wǎng)包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸變電、配電、用電和調(diào)度等環(huán)節(jié)，具有自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化的智能技術(shù)特征[7]。以長(zhǎng)距離、大容量輸變電網(wǎng)為基礎(chǔ)的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，通過(guò)智能技術(shù)的支撐，在各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，提供新能源和分布式電源的靈活接入方式，從而構(gòu)建統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調(diào)建設(shè)的堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)。所以，從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)可將智能電網(wǎng)劃分為六個(gè)功能模塊，其中電源側(cè)包含智能分布式電源系統(tǒng)模塊;用戶(hù)側(cè)包括智能需求側(cè)管理系統(tǒng)模塊;電網(wǎng)側(cè)包含兩大類(lèi)功能模塊：一是通過(guò)智能電網(wǎng)控制中心模塊實(shí)現(xiàn)從發(fā)電到用電各環(huán)節(jié)的調(diào)度功能，二是以智能變電站模塊、智能線(xiàn)路模塊和智能保護(hù)系統(tǒng)模塊共同實(shí)現(xiàn)輸、變、配電功能。

由圖1可見(jiàn)，智能電網(wǎng)各功能模塊主要圍繞電力系統(tǒng)展開(kāi)，因此建議在電力專(zhuān)業(yè)課程中增設(shè)相關(guān)模塊內(nèi)容，其主要知識(shí)點(diǎn)可參考以下范圍。

1）智能電網(wǎng)控制中心模塊。該模塊是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度的關(guān)鍵，包含能源管理系統(tǒng)EMS、配電管理系統(tǒng)DMS、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA、虛擬電廠(chǎng)等技術(shù)，因此，要求掌握好這幾個(gè)系統(tǒng)的組建技術(shù)、功能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

2）智能分布式電源系統(tǒng)模塊。準(zhǔn)許不同類(lèi)型的電源或儲(chǔ)能設(shè)備接入是智能電網(wǎng)開(kāi)放性的特征表現(xiàn)，因此，對(duì)于互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)需要有所了解，而各種新能源的接入方式及對(duì)電網(wǎng)可靠性和質(zhì)量的影響也值得深入學(xué)習(xí)和研究。

3）電網(wǎng)模塊。該模塊包括智能變電站模塊、智能線(xiàn)路模塊和智能保護(hù)系統(tǒng)模塊，變電站和電力線(xiàn)路是輸變電系統(tǒng)的基本元件，需要學(xué)習(xí)了解其在智能電網(wǎng)環(huán)境下的新設(shè)備和新技術(shù)，對(duì)智能保護(hù)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)應(yīng)側(cè)重于其及時(shí)準(zhǔn)確地配合電網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)手段。

4）智能需求側(cè)管理系統(tǒng)模塊。該模塊針對(duì)用電環(huán)節(jié)的新設(shè)備和新技術(shù)，可重點(diǎn)關(guān)注智能終端體系和微網(wǎng)技術(shù)，前者是以智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程通信和智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理構(gòu)建的系統(tǒng)，后者是對(duì)分散式電源、負(fù)荷及相關(guān)的監(jiān)控保護(hù)設(shè)備構(gòu)成的小型發(fā)電、供配電系統(tǒng)，作為智能電網(wǎng)的終端，既能并入大電網(wǎng)運(yùn)行，也能實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行。

4 體系構(gòu)建設(shè)想

面向智能電網(wǎng)的教育培養(yǎng)方案需要在傳統(tǒng)電力專(zhuān)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，輔以通信技術(shù)、電力電子、自動(dòng)控制技術(shù)、決策理論等學(xué)科平臺(tái)，以夯實(shí)電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的智能電網(wǎng)知識(shí)結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)要求[8]。因此，智能電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，構(gòu)建一套適配的專(zhuān)業(yè)課程體系是極為重要的。在該體系中，不僅需要對(duì)成熟的理論技術(shù)展開(kāi)學(xué)習(xí)，還需要定期跟蹤引入最新的研究領(lǐng)域、分析工具和技術(shù)發(fā)展路徑等。

從上文的技術(shù)模塊分析可知，智能電網(wǎng)是跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的知識(shí)體系，除了電氣知識(shí)，還涉及通信理論、最優(yōu)化控制、動(dòng)態(tài)決策等技術(shù)。從功能模塊的設(shè)置來(lái)看，智能電網(wǎng)是與電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和用電各環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的新設(shè)備和新技術(shù)的應(yīng)用體系。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)課程內(nèi)容主要包括電能的傳輸、利用及管理，高電壓技術(shù)，電力電子技術(shù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)等，以及相關(guān)的其他跨學(xué)科內(nèi)容，如遠(yuǎn)程通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。

為適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，新構(gòu)建的智能電網(wǎng)教育體系還應(yīng)該包括數(shù)字化控制理論、電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析、電能質(zhì)量及信號(hào)分析、輸配電硬件新設(shè)備、電力系統(tǒng)保護(hù)新技術(shù)、可靠性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、電力市場(chǎng)及規(guī)劃等。通過(guò)對(duì)內(nèi)容范圍和深度的選擇，該知識(shí)體系既可面向高校電氣類(lèi)學(xué)生提供智能電網(wǎng)的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)，也可作為電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)工作人員的智能電網(wǎng)教育培訓(xùn)。

如對(duì)智能電網(wǎng)教育體系繼續(xù)深化，以滿(mǎn)足電網(wǎng)構(gòu)架設(shè)計(jì)等更高層次的需求，則在智能電網(wǎng)教育體系構(gòu)建中還應(yīng)包括以下關(guān)鍵內(nèi)容：

1）實(shí)時(shí)量測(cè)技術(shù)及應(yīng)用工具;

2）可再生能源及儲(chǔ)能技術(shù);

3）考慮不確定性的電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行;

4）智能電網(wǎng)性能評(píng)價(jià)體系;

5）復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真技術(shù);

6）最新優(yōu)化技術(shù);

7）基于智能電網(wǎng)的電力市場(chǎng)系統(tǒng)等。

5 結(jié)語(yǔ)

作為電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，智能電網(wǎng)勢(shì)必對(duì)電力教育機(jī)制產(chǎn)生巨大影響，并對(duì)人才培養(yǎng)提出多方面的需求。本文旨在拋磚引玉，淺析適應(yīng)于我國(guó)現(xiàn)階段智能電網(wǎng)發(fā)展步伐的教育體系構(gòu)建方案，以盡電力教育工作者之責(zé)任。

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